（中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司 河南郑州 450000）
摘要：近年来，输电工程的环保问题已成为影响电网建设和发展的重要因素之一。由于环水保中各敏感点信息的多样性和复杂性，包括线路走廊地形的多样性、地质气候等多种因素的综合影响，导致了传统工作方式下的一些指标与实际相差甚远。近年来一些计算机辅助设计软件，仍停留在模仿和借鉴人工方法，无实质性的突破，没有真正减少野外工作量，仍然可能会遗漏隐蔽的环境敏感点，导致勘察工作周期长、深度不够、缺乏统一共享的信息平台。三维可视化技术、三维仿真、数值模拟等新型技术在环水保设计中的应用，可以使设计人员方便地在三维场景中进行选线分析，并进行空间分析和全地理信息展示，从传统经验工作方式转变为量化数据比较，极大地提高环水保设计的工作效率和准确性，优化了环水保设计方案。
关键词：三维技术；输电线路；环保水保
1 三维技术在输电工程环水保设计应用的理论依据
1.1 三维可视化技术
借助三维可视化技术，可以把杆塔、绝缘子、金具等构件以虚拟现实的形式直观地展现在用户面前，直观、真实地展现电力要素的三维信息及综合特征，用户可以在一个虚拟的三维空间中进行操作，能够帮助设计人员更直观地明确构件之间的相对位置。
1.2 利用三维仿真技术建立输电线路准确空间模型
三维仿真技术使得输电线路表现得更加真实、直观，将杆塔、导线、绝缘子串、金具等设备模型以更为准确的空间姿态展现出来。利用三维空间距离量测技术也更加准确的描述了线路的空间信息，以此进行电气间隙的校验能够最大程度上控制电气间隙的精度，对提升工程设计能力具有重要的意义。
1.3 数值模拟技术
随着近几十年来高速度大容量计算机和数值模拟理论的飞速发展，数值方法发展甚快，并在很多领域得到了广泛应用，而且随着计算机图形学的发展，可视化技术与数值方法相结合，克服了数值模型不够直观的特点，使数值方法更具优势。数值方法主要由有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM）、离散单元法（DEM）、不连续变形法（DDA）和有限体积法（FVM）。数值模拟技术可用于输电线路环水保设计中，如塔位的淹没计算、开方量计算、挡土墙计算等处辅助进行设计决策。
1.4 三维GIS
地理信息系统简称GIS，它是指为收集、管理、操作、分析和显示空间数据的计算机软、硬件系统，具有强大的处理空间数据的能力。在电力行业内，GIS的应用也已经深入到各个方面，如电网工程建设施工招投标、输电线路的前期设计、电网运行和台帐管理等方面，都已经有成功的应用案例。
三维GIS与二维GIS一样，需要具备最基本的空间数据处理功能，如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。相比于二维GIS，三维GIS在空间信息的展示和多维度的空间分析上更具优势。
三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断，毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。虽然三维GIS的动态交互可视化功能对计算机图形技术和计算机硬件也提出了特殊的要求，但是随着一些先进的图形卡、工作站以及带触摸功能的投影设备的陆续问世，不仅完全可以满足三维GIS对可视化的要求，还可以带来逼真的展示和体验效果。
另外，三维GIS的多维度空间分析功能更加强大。空间信息的分析过程，往往是复杂、动态和抽象的，在数量繁多、关系复杂的空间信息面前，二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性，如淹没分析、地质分析、通视性分析等高级空间分析功能，二维GIS是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。
1.5 利用现代勘测技术手段还原三维地理环境
随着卫片、航片、激光雷达、倾斜摄影等新型测绘技术在输电线路设计中的广泛应用，利用先进测绘技术还原三维实景成为可能。同时利用外业勘测数据与地理信息数据融合的技术，解决了三维场景与真实环境存在差异的问题，确保了三维设计的准确性。
1.6 利用三维仿真技术建立塔基小场景
三维仿真场景是利用计算机三维图形处理技术，根据地理信息、勘测、杆塔、基础等数据生成的三维塔基小场景。利用三维仿真技术完成塔位场景重现，更好地对环水保措施的必要性进行判断并在三维场景中进行设计。
2 三维技术在环水保设计应用的实践依据
2.1 特高压数字化移交管理
国网公司从2013年开始开展特高压交流工程数字化移交工作及成果的审查管理，逐步完成了电网三维数字化地理信息平台的建设，建成了特高压数字化管理系统。建立特高压数字化成果应用技术体系，建立特高压数字化成果移交、审核、管理、更新、发布及应用的长效机制，提升特高压电网运维、防灾减灾及应急抢险能力。并逐步扩展于特高压、超高压电网，为三维环水保设计工作的开展提供数据支撑。
2.2 地形图的测绘
利用传统测量的模式（全站仪、GPS RTK）可以获取塔位附近大比例尺地形图，同时记录塔位周围的植被分布情况，结合DLG和植被影像模拟出三维场景，应用于后续小场景模型设计工作。
2.3 无人机4D技术的应用
无人机数字化的产品应用于输电线路勘测工作中主要可以分为下列 3 个部分：①DEM，即数字高程模型（Digital ele-vation model）的简称。主要负责在航空摄影中的三维坐标（X，Y，Z）轴建立后的坐标确定与测量，也就是对测量区间内地形地貌进行基本的确定，并且根据数字内插的方式进行相应地形的测量和信息数据的收集。②DOM，即数字正射影像图（Digital orthophoto map）的简称。其在无人机航空摄影工作中一般是对相应的图像信息进行相应的修整，包括图片的修剪、镶嵌、标注等工作。DOM 是基于无人机航空摄影测量中的 DEM 基础上进行相应的处理。③DLG，即数字线画地图（Digital line graphic）的简称。主要负责对 DEM 采集的数据信息进行该信息元素与空间之间的关系的属性记录，并且能根据实际需求进行相应的地形图测绘中的要素提取和叠加，使其描述的地形图元素更客观、更精确。
运用线路走廊内的4D产品，可以获得大量的高精度的点云数据、高清影像，以便对线路走廊地形、塔位小场景进行高精度三维建模。
2.4 激光雷达技术的应用
由于激光的单色性和相干性好，方向性强，可以用激光对角度、距离、长度等度量实行精确地监测和计量。在激光测距方面，主要分为连续波相位式测距和脉冲式测距。
将激光雷达应用到线路塔位扫描，可获得大量的高精度的激光点云数据，再配合高分辨率的航空数码影像，可以对线路塔位地形进行高精度三维建模。此外，通过激光雷达点云数据还能精确计算出输电线路与公路、铁路、电力线、树木等的障碍物距离。
利用激光雷达技术对塔位地形进行全方位扫描，获得海量的三维坐标数据，快速将将现实世界的信息转换成可以处理的点云数据。将点云数据导入，并建立设计地面，用原始地面和设计地面进行精确对比，采用三角网曲面体积法计算挖方和填方工程量。三角网能很好地适应复杂地形，配合地面特征线如陡坎、山脊等。
3 三维技术在环水保设计应用的实施方案
3.1 三维基面管控系统
基于三维系统进行输电线路环水保措施设计，核心功能在于利用GIS与外业终勘数据，对每个塔位进行场景重现，对环水保措施进行必要性判断与三维展示与统计。在采用多种测绘手段获得塔位地形数据后，通过有效的数据融合形成小场景地形数据，同时从系统数据中读入电气、杆塔、基础等数据，共同搭建形成塔位小场景。梳理并参数化现阶段常用环水保措施，将成果形成措施模板，通过修改参数与在小场景中定位，快速在小场景中对措施进行三维建模。最终根据数字化移交要求，将携带环水保措施的小场景三维模型完成数字移交。
设计方在小场景上进行环水保措施展示与统计，施工方严格遵照模型划定场地范围、恢复塔基地貌和执行环水保措施，监理方以模型为基准规范施工方行为，建设方在该系统中逐基查看措施详情，动态查工程造价，最终组织验收工作。
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图3.1-1 基面管控系统流程图
3.2 环水保措施的参数化
要实现环水保措施的设计与建模，首先需完成其属性的参数化。环水保措施可分为方案类措施与实物类措施两大类。对于方案类措施，如余土处理方案、土地整治、植被复绿等，明确各种措施的面积、体积等需统计量的计算原则，建立统计量与已知数据（基础根开、立柱尺寸、土地属性等）的函数关系，以此完成参数化；对于实物类措施，如堡坎护坡、截水沟等，首先建立各种措施的截面，明确控制尺寸，然后获取设计人员输入的平面定位信息，明确控制路径，建立措施统计量与截面控制尺寸和平面控制路径的函数关系，以此完成参数化。
3.3 小场景的搭建
采用D3D渲染技术及相关的数学模拟方法，将大场景中的单个杆塔节点截取到小场景，截取的内容包括当前节点的杆塔模型信息、地形信息，及配置的高低腿、基础信息，小场景中的地形来源是导入的标准地形图dwg文件。采用杆塔解析技术，解析出当前塔型的跟开及塔腿长度，使用相关的渲染技术模拟出塔腿，并根据塔位信息，生成相应的基础立柱。
3.4 环水保措施快速建模
小场景中建立环水保实物措施的三维模型，对于本课题来说是核心。要建立实物措施三维模型，需完成2步：其一，环水保措施的参数；其二，环水保措施的定位信息。这两种信息全由用户通过塔位信息表输入。实物模型的参数根据本工程实际施工图进行参数化后确定，定位则采用建立以中心桩为原点的局部坐标系。通过读取输入的塔位信息表中各类信息，形成环水保措施截面，并确定其在局部坐标系上的轨迹，逐点形成向量，并存储到缓存中，按照一定的规则，创建三角网顶点索引，形成三角面，通过D3D相应API接口最终绘制成实体三维模型。
3.5 环水保工程量计算
在高精度DEM模型的基础上，开展挖填方等工程量的动态计算。
在地形起伏的地区，由于塔基地形形状不规整，环水保措施的工程量统计精确性较差。本研究开发的系统具备高精度数字地面模型，为工程量的动态精确计算提供了基础。
在高精度DEM模型的基础上，用开挖基面切削微原始地貌，截取高程大于基面的网格，再运用DTM方法计算坡面与基面之间的土体体积，即为挖方体积。DTM模型计算是通过生成不规则三角网，使整个土石方的地形转换为由三角锥组成的集合，根据给定的设计高程设计零平面，分解成三棱锥、三棱柱，计算出体积从而累加成挖方或填方。
在相同原理的指导下，导入护坡四个角点的坐标即可计算护坡面积，导入挡土墙、排水沟等路径坐标即可计算精确工程量。
在本系统中，可建立工程量与构筑物布置措施的实时映射，工程量随构筑物措施的变化而变化，布置方案也可根据工程量相应调整，实现工程量的动态计算。
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图3.5-1 DTM模型计算原理
3.6 环水保三维数字化移交
研究将三维基面管控模型进行数字化移交的数据规约与展示平台。
三维数字化移交应用通过三维模拟场景的方式，以1：1比例显示真实塔基信息，可直观的观察构筑物的外围尺寸和其他结构细节等，并可将三维基础模型与设计图纸、设计参数、施工信息等资料通过统一的数据规约与展示平台，随实体工程一起移交。
结束语
随着我国电网事业的发展，我国的输电线路在丘陵和山地的环水保问题逐渐突出。三维技术在输电线路环水保设计中的应用，能够大大提高环水保设计的效率和准确度，还能指导现场施工及后期运维，具有广泛的使用前景。
参考文献：
[1]《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T5219-2014，国家能源局，2014.10
[2]《110kV～750kV架空输电线路设计规范》GB50545-5010，中华人民共和国住房和城乡建设部，2010.01。
作者简介：
安培卿（1982-）男，汉族，河南省郑州市人，现为中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为输电线路铁塔和基础设计。